Исследователи из Университета Райса предложили новый подход к управлению одним из самых загадочных квантовых свойств материи — спином электронов. Ученые доказали, что преимуществом могут обладать дефекты в виде крошечных складок и «морщин» в атомарно тонких материалах. Эти складки способны создавать уникальные условия для контроля над спиновым состоянием электронов с беспрецедентной эффективностью.
Современная электроника основана на управлении электрическим зарядом, переносимым электронами при их движении через кремниевые транзисторы. Однако этот подход сталкивается с физическими ограничениями, особенно в контексте растущего энергопотребления мировых дата-центров. Спинтроника, новая парадигма вычислений, предлагает использовать не заряд, а спин электрона — его квантовомеханический момент, который может находиться в состоянии «вверх» или «вниз», подобно крошечному магниту.
Главным препятствием на этом пути до сих пор была хрупкость спинового состояния. Решение этой многолетней проблемы может быть найдено в механическом изгибе двумерных материалов, таких как дителлурид молибдена. Исследовательская группа под руководством профессора Бориса Якобсона выдвинула и экспериментально подтвердила гипотезу о том, что складка в таком материале создает особую спиновую текстуру, названную персистентной спиновой спиралью (PSH). Ее уникальность заключается в способности сохранять спиновое состояние электрона даже в условиях рассеяния. В материалах с PHS-состоянием спин остается фиксированным и стабильным, что делает их идеальными кандидатами для надежного хранения и передачи информации.
Физический механизм этого явления кроется в флексоэлектрическом эффекте. Когда двумерный лист сгибается, создавая складку, его внешняя сторона растягивается, а внутренняя — сжимается. Это механическое напряжение вызывает разделение положительных и отрицательных зарядов, генерируя внутреннее электрическое поле прямо внутри материала. Это поле, в свою очередь, мощно взаимодействует со спинами электронов, эффективно разделяя носителей со спином «вверх» и «вниз» по разным энергетическим зонам.
Критически важно, что сила этого взаимодействия напрямую зависит от степени кривизны материала. На острие складки, в области максимального изгиба, эффект достигает пика, заставляя спины электронов циклически переворачиваться между состояниями на протяжении всего около одного нанометра. Профессор Якобсон подчеркивает, что работа устанавливает контролируемый изгиб как мощную стратегию для проектирования экзотических спиновых профилей в материалах.
Ранее ученые разработали простой и экономичный метод получения важного компонента для производства электронных микроскопов, космических двигателей и мощных лазеров.
